JP2007287819A - Solid imaging element and its manufacturing method, and electronic information device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、集光効率を高めるために受光部上にオンチップレンズを設けた固体撮像素子およびその製造方法、この製造方法により作製された固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 The present invention uses a solid-state imaging device provided with an on-chip lens on a light-receiving unit and a manufacturing method thereof, and a solid-state imaging device manufactured by this manufacturing method as an image input device for an imaging unit in order to increase light collection efficiency. For example, the present invention relates to an electronic information device such as a digital camera such as a digital video camera and a digital still camera, an image input camera, a scanner, a facsimile, and a camera-equipped mobile phone device.
この種の従来の固体撮像素子では、多画素化に伴って感度向上を図るため、受光部（光電変換部；フォトダイオード部）上に集光用のオンチップレンズ（マイクロレンズ）を形成することによって集光効率を高めてきた。しかしながら、更なる多画素化に伴う受光部の縮小化および感度低下に対して、オンチップレンズによる従来技術のみでは、集光効率を更に高めるのには限界があった。 In this type of conventional solid-state imaging device, an on-chip lens (microlens) for condensing is formed on the light receiving unit (photoelectric conversion unit; photodiode unit) in order to improve sensitivity as the number of pixels increases. Condensation efficiency has been improved. However, with respect to the reduction in the size of the light receiving portion and the reduction in sensitivity accompanying the further increase in the number of pixels, the conventional technology using the on-chip lens alone has a limit in further increasing the light collection efficiency.
この集光効率の更なる向上のために、例えば特許文献１〜６に記載されているように、受光部とオンチップレンズ間に光導波路を設けることにより、受光部に光を効率的に導くようにようにした構造が提案されている。以下に、このような受光部上に光導波路を設けた従来の固体撮像素子ついて図９および図１０を用いて説明する。 In order to further improve the light collection efficiency, for example, as described in Patent Documents 1 to 6, by providing an optical waveguide between the light receiving unit and the on-chip lens, light is efficiently guided to the light receiving unit. Such a structure has been proposed. Hereinafter, a conventional solid-state imaging device in which an optical waveguide is provided on such a light receiving portion will be described with reference to FIGS.
図９は、受光部上に光導波路を設けた従来の固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。なお、図９では、この固体撮像素子の１画素分の構成例が示されているだけであるが、実際には半導体基板またはその表層に複数の受光部が２次元状（またはマトリクス状）に設けられている。 FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing an example of a configuration of a main part of a conventional solid-state imaging device in which an optical waveguide is provided on a light receiving portion. Note that FIG. 9 only shows a configuration example for one pixel of the solid-state imaging device, but actually, a plurality of light receiving portions are two-dimensionally (or matrix-shaped) on the semiconductor substrate or its surface layer. Is provided.
図９において、この従来の固体撮像素子５１は、半導体基板１の表層部に受光部としてフォトダイオード領域２が設けられ、このフォトダイオード領域２上には、内部に配線層を含む酸化物などからなる絶縁層３が形成された後に、フォトダイオード領域２の真上の絶縁層３が、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法などの異方性エッチングを用いて開口されており、さらにＣＶＤ法やスパッタリング法などにより、絶縁膜４を介して反射膜５が形成され、さらにＲＩＥ法などの異方性エッチングにより、開口部側壁のみに反射膜５が残されて光導波路用のホールが形成される。この側壁反射膜５が形成された光導波路用のホール内には、反射膜５に応じた屈折率を有する光透過性材料膜６が埋め込まれて光導波路６Ａが形成される。その上に、平坦化膜７を介して、フォトダイオード領域２に対向する位置に集光用のマイクロレンズ（オンチップレンズ）８が形成される。 In FIG. 9, this conventional solid-state imaging device 51 is provided with a photodiode region 2 as a light receiving portion on the surface layer portion of the semiconductor substrate 1, and on the photodiode region 2, an oxide or the like including a wiring layer therein. After the insulating layer 3 to be formed is formed, the insulating layer 3 immediately above the photodiode region 2 is opened by using anisotropic etching such as reactive ion etching (RIE), for example. A reflective film 5 is formed through the insulating film 4 by sputtering or the like, and further, anisotropic film etching such as RIE is performed to leave the reflective film 5 only on the side wall of the opening to form a hole for an optical waveguide. . An optical waveguide 6A is formed by embedding a light transmissive material film 6 having a refractive index corresponding to the reflective film 5 in the hole for the optical waveguide in which the side wall reflective film 5 is formed. A condensing microlens (on-chip lens) 8 is formed thereon at a position facing the photodiode region 2 with the planarizing film 7 interposed therebetween.
上記反射膜５としては、金属膜や、光透過性材料膜６と異なる屈折率を有する膜を用いた例が提案されている。前者については、反射率が高い金属膜として、例えばアルミニウムが用いられている。この場合、光導波路６Ａ内に入射されてきた光を反射させることにより、受光部であるフォトダイオード領域２へ光が導かれる。また、後者の場合、光透過性材料膜６と異なる屈折率を有する膜として、例えばＳｉＮ膜などが用いられている。この場合、光導波路６Ａ内に埋め込まれた光透過性材料膜６の屈折率をＳｉＮ膜などの反射膜５よりも高くすることにより、光透過性材料膜６と反射膜５との界面にて臨界角よりも大きい入射角を有する入射光が全反射されて、受光部２に光が効率よく導かれる。このように、従来の固体撮像素子５１では、受光部とオンチップレンズ８間に光導波路６Ａを設けることにより、受光部での集光効率が高められている。
しかしながら、上述した受光部（フォトダイオード領域２）上に光導波路６Ａを設けた従来の固体撮像素子５１には、以下のような問題がある。 However, the conventional solid-state imaging device 51 in which the optical waveguide 6A is provided on the light receiving portion (photodiode region 2) described above has the following problems.
この光導波路６Ａ内の側壁部に形成される反射膜５として金属膜を用いる場合、例えば反射率が高いアルミニウムを用いたとしても、光導波路６Ａ内で多重反射を繰り返すことにより、光の減衰が起きてしまう。このことは、反射膜５として、光導波路６Ａ内に埋め込まれる光透過性材料膜６と異なる屈折率を有する膜を用いた場合にも同様であり、反射膜５と光透過性材料膜６との界面にて臨界角よりも大きい入射角を有する入射光を全反射させる構造としても、入射光が臨界角よりも大きくなることがあるため、光の減衰が起きてしまう虞がある。 When a metal film is used as the reflection film 5 formed on the side wall portion in the optical waveguide 6A, for example, even if aluminum having a high reflectance is used, the light attenuation is reduced by repeating multiple reflections in the optical waveguide 6A. I get up. This also applies to the case where a film having a refractive index different from that of the light transmissive material film 6 embedded in the optical waveguide 6A is used as the reflective film 5, and the reflective film 5 and the light transmissive material film 6 Even in a structure in which incident light having an incident angle larger than the critical angle is totally reflected at the interface, the incident light may be larger than the critical angle, so that light may be attenuated.
この問題に対して、図１０に示すように、他の従来例の固体撮像素子５２において、受光部（フォトダイオード領域２）上の光透過性材料膜６の膜厚を厚くし、かつ光導波路６Ａの開口部入口を広げて側壁断面形状をテーパ状とし、焦点位置が半導体基板１の表面（受光部上）となるように形成することによって、光導波路６Ａ内の側壁での反射回数を減らす提案が為されている。 To solve this problem, as shown in FIG. 10, in another conventional solid-state imaging device 52, the thickness of the light-transmitting material film 6 on the light receiving portion (photodiode region 2) is increased, and an optical waveguide is provided. The number of reflections on the side wall in the optical waveguide 6A is reduced by widening the entrance of the opening of 6A so that the cross-sectional shape of the side wall is tapered and the focal position is on the surface of the semiconductor substrate 1 (on the light receiving part). Proposals have been made.
しかしながら、この場合には、集光用のマイクロレンズ８のアライメント精度が問題となっている。即ち、光導波路６Ａ内の側壁での反射回数を減らすために、焦点位置が半導体基板１の表面（受光部上）としかつ開口部入口を広げて受光部上の光透過性材料膜６の膜厚を厚くすると、光導波路６Ａに対するマイクロレンズ８のアライメントずれによって、光導波路６Ａ内に光が入射され難いという現象が起こり得る。 However, in this case, the alignment accuracy of the condensing microlens 8 is a problem. That is, in order to reduce the number of reflections on the side wall in the optical waveguide 6A, the focal position is the surface of the semiconductor substrate 1 (on the light receiving portion) and the opening entrance is widened to form a film of the light transmissive material film 6 on the light receiving portion. When the thickness is increased, a phenomenon may occur in which light is difficult to enter the optical waveguide 6A due to misalignment of the microlens 8 with respect to the optical waveguide 6A.
このように、受光部上に光導波路６Ａを形成したとしても、多重反射により光導波路６Ａ内で光が減衰したり、光導波路６Ａに対するマイクロレンズ８のアライメントずれにより、光導波路６Ａを通して受光部上に光が良好に入射されないという問題がある。特に、カメラが小型化されて小Ｆ（焦点距離）値となった場合には、受光部領域（複数の受光部が設けられた領域）の基板中央から周辺に向かうほど入射光が斜め方向からより傾斜して入射される。このため、この問題がさらに顕著になる。 As described above, even if the optical waveguide 6A is formed on the light receiving portion, light is attenuated in the optical waveguide 6A due to multiple reflection, or the micro lens 8 is misaligned with respect to the optical waveguide 6A. There is a problem that light is not incident well. In particular, when the camera is miniaturized and has a small F (focal length) value, the incident light is inclined from an oblique direction toward the periphery from the center of the substrate in the light receiving region (region where a plurality of light receiving portions are provided). Incident at a more inclined angle. For this reason, this problem becomes more remarkable.
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、受光部の感度を向上させるために受光部上に光導波路が設けられた構造において、レンズアライメントずれによる受光部への入射光減少を抑制して、小Ｆ値においても光を受光部へ効率よく入射させることができる固体撮像素子およびその製造方法、この固体撮像素子を撮像部に用いた電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and suppresses a decrease in incident light to the light receiving unit due to a lens alignment shift in a structure in which an optical waveguide is provided on the light receiving unit in order to improve the sensitivity of the light receiving unit. Thus, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of efficiently making light incident on the light-receiving unit even at a small F value, a manufacturing method thereof, and an electronic information device using the solid-state imaging device for the imaging unit.
本発明の固体撮像素子は、複数の受光部が設けられた半導体基板上に絶縁層が設けられており、該受光部上の該絶縁層の開口部に光導波路が形成されている固体撮像素子において、該受光部上に該光導波路を介して集光用の第１マイクロレンズが設けられており、該第１マイクロレンズは、該光導波路および該第１マイクロレンズの形成用形状のセルフアライメントにより形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。 In the solid-state imaging device of the present invention, an insulating layer is provided on a semiconductor substrate provided with a plurality of light receiving portions, and an optical waveguide is formed in an opening of the insulating layer on the light receiving portion. 1, a first microlens for condensing light is provided on the light receiving portion via the optical waveguide, and the first microlens is self-aligned in a shape for forming the optical waveguide and the first microlens. Thus, the above object can be achieved.
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１マイクロレンズの焦点が前記受光部上または前記半導体基板表面近傍に設定されている。 Preferably, the focal point of the first microlens in the solid-state imaging device of the present invention is set on the light receiving unit or in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１マイクロレンズおよび前記光導波路の形成用形状が等方性エッチングおよび異方性エッチングにより形成されている。 Further preferably, the shape for forming the first microlens and the optical waveguide in the solid-state imaging device of the present invention is formed by isotropic etching and anisotropic etching.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光導波路は、前記受光部上の対応する位置に設けられた下に凸形のレンズ曲面穴の底面から前記半導体基板表面側まで該半導体基板表面と垂直の側壁または、開口部入口側が広がるように傾斜した側壁を有する。 Further preferably, the optical waveguide in the solid-state imaging device according to the present invention is configured so that the surface of the semiconductor substrate extends from the bottom surface of the downwardly convex lens curved hole provided at the corresponding position on the light receiving unit to the semiconductor substrate surface side. It has a vertical side wall or an inclined side wall so that the opening entrance side is widened.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光導波路内の側壁またはその一部に反射膜が設けられている。 Further preferably, a reflective film is provided on a side wall or a part thereof in the optical waveguide in the solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における反射膜は、アルミニウム、銀および金の少なくとも１種類を含む金属材料で構成されている。 Further preferably, the reflective film in the solid-state imaging device of the present invention is made of a metal material containing at least one of aluminum, silver, and gold.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における反射膜は、エッチングにより前記開口部の底からの高さ位置が調整されている。 Further preferably, the reflective film in the solid-state imaging device of the present invention is adjusted in height from the bottom of the opening by etching.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光導波路内の側壁またはその一部が、該光導波路内に埋め込まれる光透過性材料よりも屈折率が低い薄膜により形成されている。 Further, preferably, the side wall or a part of the optical waveguide in the solid-state imaging device of the present invention is formed of a thin film having a refractive index lower than that of the light transmissive material embedded in the optical waveguide.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光導波路内の側壁またはその一部が、前記絶縁層よりも屈折率が高い薄膜により形成されている。 Further preferably, the side wall or a part thereof in the optical waveguide in the solid-state imaging device of the present invention is formed of a thin film having a refractive index higher than that of the insulating layer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光導波路内に埋め込まれる光透過性材料の一部または全部がカラーフィルタ材料または白黒用フィルタ材料（透明材料；例えばマイクロレンズに用いる材料などを含む）である。 Further preferably, part or all of the light transmissive material embedded in the optical waveguide in the solid-state imaging device of the present invention is a color filter material or a black and white filter material (transparent material; for example, a material used for a microlens). It is.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光導波路内に埋め込まれる光透過性材料の一部として前記カラーフィルタ材料が用いられ、該光透過性材料の一部以外の部分として前記第１マイクロレンズの材料と同じ材料が用いられている。 Further preferably, the color filter material is used as a part of the light transmissive material embedded in the optical waveguide in the solid-state imaging device of the present invention, and the first micro as a part other than the part of the light transmissive material. The same material as the lens is used.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１マイクロレンズ上に反射防止膜が設けられている。 Further preferably, an antireflection film is provided on the first microlens in the solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１マイクロレンズ上にさらに集光用の第２マイクロレンズが設けられている。 Furthermore, preferably, a second microlens for condensing is further provided on the first microlens in the solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１マイクロレンズは、凸レンズ形状とされている。 Further preferably, the first microlens in the solid-state imaging device of the present invention has a convex lens shape.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第１マイクロレンズの位置は、入射光の傾き度合いに応じて、前記受光部の位置に対してオフセットを持たせて設定されている。 Further preferably, the position of the first microlens in the solid-state imaging device of the present invention is set with an offset with respect to the position of the light receiving unit according to the degree of inclination of incident light.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における第２マイクロレンズの位置は、入射光の傾き度合いに応じて、前記受光部の位置に対してオフセットを持たせて設定されている。 More preferably, the position of the second microlens in the solid-state imaging device of the present invention is set with an offset with respect to the position of the light receiving unit according to the inclination degree of the incident light.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記第２マイクロレンズおよび前記第１マイクロレンズの各位置は、入射光の傾き度合いに応じて、前記受光部の位置に対してオフセットを持たせて設定されている。また、第２マイクロレンズの位置は、前記第１マイクロレンズの位置に対して集光率向上用にオフセットを持たせて設定されている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the positions of the second microlens and the first microlens are offset from the position of the light receiving unit according to the degree of inclination of incident light. Is set. Further, the position of the second microlens is set with an offset for improving the light collection rate with respect to the position of the first microlens.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記第１マイクロレンズ上に反射膜が設けられた該第１マイクロレンズおよび該反射膜にレンズ曲面穴を開口して、該レンズ曲面穴に前記第２マイクロレンズの形成部分を充填させた光閉じ込め構造を有している。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, a lens curved hole is opened in the first microlens provided with a reflective film on the first microlens and the reflective film, and the lens curved hole is provided with the lens curved hole. It has an optical confinement structure filled with the formation part of the second microlens.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子におけるレンズ曲面穴は楕円半球状穴または半球状穴である。 Further preferably, the lens curved surface hole in the solid-state imaging device of the present invention is an elliptical hemispherical hole or a hemispherical hole.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における光導波路内に埋め込まれるカラーフィルタ材料の厚さは０.５μｍ以上１μｍ以下である。 Further preferably, the thickness of the color filter material embedded in the optical waveguide in the solid-state imaging device of the present invention is 0.5 μm or more and 1 μm or less.
本発明の固体撮像素子の製造方法は、複数の受光部が設けられた半導体基板上に絶縁層を形成し、該受光部上の該絶縁層を開口して光導波路を形成する固体撮像素子の製造方法において、前記絶縁層に対して等方性エッチングおよび異方性エッチングを行って該第１マイクロレンズおよび該光導波路の形成用形状を形成するレンズおよび光導波路形状形成工程と、該光導波路および該第１マイクロレンズの形成用形状をセルフアライメントにして該第１マイクロレンズを形成する第１マイクロレンズ形成工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。 A method for manufacturing a solid-state image pickup device according to the present invention is a solid-state image pickup device in which an insulating layer is formed on a semiconductor substrate provided with a plurality of light receiving portions, and an optical waveguide is formed by opening the insulating layer on the light receiving portion. In the manufacturing method, a lens and an optical waveguide shape forming step for forming the first microlens and the shape for forming the optical waveguide by performing isotropic etching and anisotropic etching on the insulating layer, and the optical waveguide And a first microlens forming step of forming the first microlens by making the formation shape of the first microlens self-aligned, thereby achieving the above object.
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるレンズおよび光導波路形状形成工程は、所定形状のレジストマスクを用いて前記絶縁層の等方性エッチングを行って、前記受光部上に対応する位置に下に凸形のレンズ曲面穴を形成するレンズ穴形状形成工程と、所定形状のレジストマスクを用いて該絶縁層の異方性エッチングを行って、該レンズ曲面穴の底面から前記半導体基板表面側まで該半導体基板表面と垂直の側壁部分または、開口部入口側が広がるように傾斜した側壁部分を形成する光導波路形状形成工程とを有する。 Preferably, the lens and optical waveguide shape forming step in the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention is performed on the light receiving portion by performing isotropic etching of the insulating layer using a resist mask having a predetermined shape. A lens hole shape forming step for forming a downward convex lens curved hole at a position to be formed, and anisotropic etching of the insulating layer using a resist mask having a predetermined shape, so that the semiconductor is formed from the bottom surface of the lens curved hole. An optical waveguide shape forming step of forming a side wall portion perpendicular to the surface of the semiconductor substrate to the substrate surface side or a side wall portion inclined so as to spread the opening entrance side.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるレンズ穴形状形成工程および前記光導波路形状形成工程は同じ所定形状のレジストマスクかまたは異なる所定形状のレジストマスクを用いる。 Further preferably, the lens hole shape forming step and the optical waveguide shape forming step in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention use a resist mask having the same predetermined shape or a resist mask having a different predetermined shape.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における光導波路の形成用形状内に光透過性材料を埋め込んで該光導波路を形成する光導波路形成工程をさらに有する。 Further preferably, the method further includes an optical waveguide forming step of forming the optical waveguide by embedding a light transmissive material in the shape for forming the optical waveguide in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における第１マイクロレンズ形成工程は、前記光導波路が形成された基板部上にレンズ材料を塗布して、前記レンズ曲面穴内に該レンズ材料を埋め込んだ後に所定形状に加工し、該所定形状のレンズ材料を熱により溶かすことにより凸状の前記第１マイクロレンズを形成する。 Further preferably, in the first microlens forming step in the method of manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention, the lens material is applied on the substrate portion on which the optical waveguide is formed, and the lens material is placed in the lens curved surface hole. After embedding, the first microlens having a convex shape is formed by processing into a predetermined shape and melting the lens material of the predetermined shape by heat.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法において、前記光導波路形状形成工程により前記光導波路の形成用形状が形成された基板部上に反射膜材料を成膜し、該反射膜材料に異方性エッチングを行って該光導波路の形成用形状内の側壁部分に該反射膜材料の薄膜を残す光導波路側壁形成工程をさらに有する。 Further preferably, in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, a reflective film material is formed on the substrate portion on which the shape for forming the optical waveguide is formed by the optical waveguide shape forming step, and the reflective film material The method further includes a step of forming an optical waveguide side wall by performing anisotropic etching to leave a thin film of the reflective film material on the side wall portion in the shape for forming the optical waveguide.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における光導波路側壁形成工程は、前記異方性エッチングのエッチング時間を調整して、前記反射膜の高さ位置を調整する。 Further preferably, in the optical waveguide sidewall forming step in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention, the height position of the reflective film is adjusted by adjusting the etching time of the anisotropic etching.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法におけるレンズ曲面穴は楕円半球状穴または半球状穴である。 Further preferably, the lens curved surface hole in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention is an elliptical hemispherical hole or a hemispherical hole.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子の製造方法における光導波路形成工程は、前記光導波路の形成用形状内に前記光透過性材料としてカラーフィルタ材料を埋め込み、さらに該光導波路の形成用形状内に次の光透過性材料として前記第１マイクロレンズの材料と同じ材料を埋め込んで該光導波路を形成する。 Further preferably, the optical waveguide forming step in the method for manufacturing a solid-state imaging device of the present invention includes embedding a color filter material as the light transmissive material in the optical waveguide forming shape, and further forming the optical waveguide forming shape. The optical waveguide is formed by embedding the same material as that of the first microlens as the next light transmissive material.
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 An electronic information device according to the present invention uses the solid-state imaging device according to the present invention for an imaging unit, and thereby achieves the object.
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。 The operation of the present invention will be described below with the above configuration.
本発明にあっては、半導体基板上または半導体基板の表層部に複数の受光部が設けられ、その上に内部に配線を含む絶縁層が設けられ、この絶縁層に対して、受光部上に光導波路が設けられた固体撮像素子において、光導波路と第１マイクロレンズ（オンチップレンズ）の形成用形状をセルフアライメントにして第１マイクロレンズを形成することにより、光導波路に対するレンズ形成時のアライメントずれがなくなり、光導波路上に第１マイクロレンズをより正確に形成することができる。これにより、所望の位置、例えば基板表面近傍に第１マイクロレンズの焦点を容易に設定することが可能となって、従来のレンズアライメントずれによる受光部への入射光量の減少を抑制することが可能となる。 In the present invention, a plurality of light receiving portions are provided on a semiconductor substrate or a surface layer portion of the semiconductor substrate, and an insulating layer including wiring is provided on the light receiving portion. In a solid-state imaging device provided with an optical waveguide, the first microlens is formed by self-aligning the formation shape of the optical waveguide and the first microlens (on-chip lens), thereby aligning the lens with respect to the optical waveguide. There is no deviation, and the first microlens can be formed on the optical waveguide more accurately. As a result, the focal point of the first microlens can be easily set at a desired position, for example, in the vicinity of the substrate surface, and it is possible to suppress a decrease in the amount of incident light on the light receiving unit due to a conventional lens misalignment. It becomes.
また、等方性エッチングにより光導波路の上部に下に凸型の楕円半球状穴などのレンズ曲面穴を形成して、レンズ材料をその内部に形成してこれを熱で溶かすことにより、凸型レンズ（第１マイクロレンズ）が形成されると共に光導波路の上部にレンズ材料（光透過性材料）が埋め込まれる。これによっても、受光部への集光率が高められ、斜め入射光に対しても効率よく集光させることが可能となる。 In addition, by forming a lens curved surface hole such as a convex elliptical hemispherical hole below the top of the optical waveguide by isotropic etching, forming a lens material inside it and melting it with heat, the convex shape A lens (first microlens) is formed, and a lens material (light transmissive material) is embedded above the optical waveguide. Also by this, the light collection rate to the light receiving unit is increased, and it is possible to efficiently collect light even with respect to oblique incident light.
さらに、光導波路内の一部にカラーフィルタ材料を埋め込むことにより、全体にカラーフィルタ材料を埋め込んだ場合に比べて、カラーフィルタによる光吸収をより防ぐことができる。また、光導波路の最深部にカラーフィルタを設けることにより、受光部（フォトダイオード）へ入射される光のクロストークによる影響を低減することが可能となる。 Further, by embedding the color filter material in a part of the optical waveguide, light absorption by the color filter can be further prevented as compared with the case where the color filter material is entirely embedded. Further, by providing a color filter at the deepest part of the optical waveguide, it is possible to reduce the influence of crosstalk of light incident on the light receiving part (photodiode).
さらに、エッチングによって、光導波路内の下部にのみ高反射率を有する膜（反射膜）を残すことにより、レンズからの光が側壁によって妨げられることを防ぐことが可能となる。さらに、光導波路の最深部のみで光を反射させることにより、受光部への集光率を高めることができる。さらに、光導波路の最深部で生じるクロストークによる影響を防ぐことも可能となる。 Further, by leaving a film (reflective film) having a high reflectance only in the lower part of the optical waveguide by etching, it is possible to prevent light from the lens from being blocked by the side wall. Furthermore, the light collection rate can be increased by reflecting light only at the deepest part of the optical waveguide. Furthermore, it is possible to prevent the influence due to crosstalk occurring at the deepest portion of the optical waveguide.
さらに、画素（受光部）のレイアウトによっては、受光部が等間隔に並ばないこともあるが、各受光部へ光を導く光導波路にオフセットを持たせることによって、受光部への集光率を向上させることが可能となる。 Furthermore, depending on the layout of the pixels (light receiving parts), the light receiving parts may not be arranged at equal intervals, but by providing an offset to the optical waveguide that guides the light to each light receiving part, the light collection rate to the light receiving part is increased. It becomes possible to improve.
さらに、光導波路上に形成された第１マイクロレンズ上に第２マイクロレンズを設けることによって、小Ｆ値においても集光率を向上させることが可能となる。 Further, by providing the second microlens on the first microlens formed on the optical waveguide, the light collection rate can be improved even at a small F value.
さらに、光導波路上に形成された第１マイクロレンズ上に高反射率薄膜を設けることによって、光閉じ込め構造を構成することが可能となる。 Furthermore, by providing a high reflectivity thin film on the first microlens formed on the optical waveguide, an optical confinement structure can be configured.
以上により、本発明によれば、第１マイクロレンズのアライメントずれによる従来の入射光の減少を抑制することで、光導波路により受光部へ光を効率よく導くことができるため、集光率を向上させて固体撮像素子の感度を向上させることができる。また、受光部が等間隔でなくても、光導波路側にオフセットを持たせることにより、より効率的に各受光部へ光を導くことができる。さらに、セルフアラインメントにより作製された第１マイクロレンズ上にさらに第２マイクロレンズを設けたり、この第２マイクロレンズにオフセットを持たせることにより、小Ｆ値においても良好な集光効率を得ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to efficiently guide the light to the light receiving portion by the optical waveguide by suppressing the decrease in the conventional incident light due to the misalignment of the first microlens, thereby improving the light collection rate. Thus, the sensitivity of the solid-state imaging device can be improved. Even if the light receiving portions are not equally spaced, it is possible to guide light to each light receiving portion more efficiently by providing an offset on the optical waveguide side. Furthermore, by providing a second microlens on the first microlens manufactured by self-alignment, or by providing an offset to the second microlens, it is possible to obtain good light collection efficiency even at a small F value. it can.
以下に、本発明の固体撮像素子およびその製造方法の実施形態１〜３について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。なお、図１〜図８では、固体撮像素子の１画素分の構成例が示されており、実際には半導体基板またはその表層に複数の受光部が２次元状（またはマトリクス状）に設けられている。
Embodiments 1 to 3 of the solid-state imaging device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view illustrating an exemplary configuration of a main part of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. 1 to 8 show a configuration example for one pixel of the solid-state imaging device, and actually a plurality of light receiving portions are provided in a two-dimensional form (or matrix form) on the semiconductor substrate or its surface layer. ing.
図１において、本実施形態１の固体撮像素子３１は、半導体基板１の表層部に受光部として各フォトダイオード領域２がそれぞれ設けられている。このフォトダイオード領域２上に、エッチングストッパ膜９を介して配線層２１〜２３を内部に持つ酸化物膜からなる絶縁層３が形成された後に、絶縁層３は、異方性エッチングおよび等方性エッチングを用いて受光部２上が開口され、光導波路ホール１０Ａ中にカラーフィルタ材料（例えば富士マイクロエレクトロニクスマテリアルズ社製の商品名「ＣＯＬＯＲ ＭＯＳＡＩＣ；カラーモザイク」）が填されて光導波路（カラーフィルタ１０）が形成されている。この光導波路の上部には、下に凸状（レンズ状）のレンズ曲面穴としての楕円半球状穴３Ａが形成されており、その楕円半球状穴３Ａの底面から基板表面上のエッチングストッパ膜９までは、半導体基板１の表面と垂直の側壁部分となっている。光導波路ホール１０Ａ内にカラーフィルタ材料が充填された光導波路の側壁部分の下部側には高反射率を有する反射膜５（高反射率薄膜）が形成されており、光導波路内には光透過性材料としてカラーフィルタ材料が埋め込まれてカラーフィルタ１０を形成している。また、光導波路内のカラーフィルタ１０上および楕円半球状の中央穴部分には光透過性材料としてレンズ材料が埋め込まれて所定形状に加工され、これが熱により溶かされて、カラーフィルタ材料が充填された光導波路の位置に対して、このレンズ材料が、楕円半球状穴３Ａのセルフアラインメントにより凸レンズ状のマイクロレンズ１１Ａ（第１マイクロレンズ）が形成されている。この場合のマイクロレンズ１１Ａの焦点は、例えば半導体基板表面近傍のフォトダイオード領域２に対応する位置に設定されている。 In FIG. 1, in the solid-state imaging device 31 of the first embodiment, each photodiode region 2 is provided as a light receiving portion on the surface layer portion of the semiconductor substrate 1. After the insulating layer 3 made of an oxide film having the wiring layers 21 to 23 is formed on the photodiode region 2 via the etching stopper film 9, the insulating layer 3 is subjected to anisotropic etching and isotropy. The light-receiving portion 2 is opened using reactive etching, and a color filter material (for example, trade name “COLOR MOSAIC; color mosaic” manufactured by Fuji Microelectronics Materials) is filled in the optical waveguide hole 10A. A filter 10) is formed. An elliptical hemispherical hole 3A is formed in the upper part of the optical waveguide as a convex (lens-shaped) curved lens surface, and an etching stopper film 9 on the substrate surface is formed from the bottom of the elliptical hemispherical hole 3A. Up to this point, the side walls are perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 1. A reflective film 5 (high reflectivity thin film) having high reflectivity is formed on the lower side of the side wall portion of the optical waveguide in which the color filter material is filled in the optical waveguide hole 10A, and light is transmitted through the optical waveguide. A color filter material is embedded as a conductive material to form the color filter 10. Further, a lens material is embedded as a light transmissive material on the color filter 10 and the elliptical hemispherical central hole portion in the optical waveguide and processed into a predetermined shape, which is melted by heat and filled with the color filter material. A convex lens-shaped microlens 11A (first microlens) is formed by self-alignment of the elliptical hemispherical hole 3A with this lens material at the position of the optical waveguide. The focal point of the microlens 11A in this case is set at a position corresponding to the photodiode region 2 near the surface of the semiconductor substrate, for example.
上記構成の本実施形態１に係る固体撮像素子の製造方法について説明する。 A method for manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment having the above-described configuration will be described.
図２Ａ（ａ）〜図２Ａ（ｅ）および図２Ｂ（ｆ）〜図２Ｂ（ｊ）は、本発明の実施形態１に係る固体撮像素子の各製造工程を説明するための要部縦断面図である。 2A (a) to FIG. 2A (e) and FIG. 2B (f) to FIG. 2B (j) are longitudinal cross-sectional views for explaining main steps of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. It is.
まず、図２Ａ（ａ）に示すように、半導体基板１の表層部に受光部としてフォトダイオード領域２を形成し、そのフォトダイオード領域２を含む基板表面上にエッチングストッパ膜９として例えばＳｉＮ膜を形成する。この基板部上に、第１メタル配線層２１、その上の第２メタル配線層２２、さらにその上の第３メタル配線層２３を内部含むようにこれらと交互に絶縁膜３を順次形成する。このとき、第３メタル配線層２３上の絶縁膜３の膜厚は、フォトダイオード領域２上へのレンズ集光距離に合わせて調整する必要がある。 First, as shown in FIG. 2A (a), a photodiode region 2 is formed as a light receiving portion on the surface layer portion of the semiconductor substrate 1, and an SiN film, for example, is formed as an etching stopper film 9 on the substrate surface including the photodiode region 2. Form. On this substrate portion, the insulating film 3 is sequentially formed alternately with the first metal wiring layer 21, the second metal wiring layer 22 thereon, and the third metal wiring layer 23 thereon. At this time, the film thickness of the insulating film 3 on the third metal wiring layer 23 needs to be adjusted according to the lens condensing distance on the photodiode region 2.
次に、図２Ａ（ｂ）に示すように、絶縁膜３上に、その開口部２０Ａが各フォトダイオード領域２の中央部分にそれぞれ対向する所定形状のレジストマスク２０を形成する。このレジストマスク２０を用いて、絶縁膜３に対して等方性エッチングを行うことにより、フォトダイオード領域２上の対向する絶縁膜３の位置に、１画素サイズ（円形または四角形など）ほどの大きさに、下に凸形（レンズ形状）の楕円半球状穴３Ａを形成する。これに続いて、図２Ａ（ｃ）に示すように、同じ開口部２０Ａを持つレジストマスク２０を用いて、絶縁膜３に対して異方性エッチングを行うことにより、楕円半球状穴３Ａの中央部分下（底面）からエッチングストッパ膜９まで、基板表面部（フォトダイオード領域２）に対して垂直な側壁部分を持つ光導波路ホール１０Ａを形成する。 Next, as shown in FIG. 2A (b), a resist mask 20 having a predetermined shape is formed on the insulating film 3 so that the opening 20 </ b> A faces the central portion of each photodiode region 2. By performing isotropic etching on the insulating film 3 using the resist mask 20, the position of the opposing insulating film 3 on the photodiode region 2 is about one pixel size (circular or quadrangular). Then, a convex (lens shape) elliptical hemispherical hole 3A is formed below. Subsequently, as shown in FIG. 2A (c), the insulating film 3 is anisotropically etched using the resist mask 20 having the same opening 20A, thereby the center of the elliptical hemispherical hole 3A. An optical waveguide hole 10A having a side wall portion perpendicular to the substrate surface portion (photodiode region 2) is formed from below the portion (bottom surface) to the etching stopper film 9.
さらに、図２Ａ（ｄ）に示すように、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法を用いて、その基板部上に高反射率を有する薄膜（高反射率薄膜）である反射膜５を形成する。この反射膜５の材料としては、高反射率を有するアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）など、またはこれらの合金などの金属膜を用いることができる。その後、図２Ａ（ｅ）に示すように、異方性エッチングを用いて、反射膜５を導波路側壁の一部（受光部側の導波路側壁）のみに残す。このとき、レンズ集光に合わせてエッチング時間を調整することにより、反射膜５の高さ位置を調整することができる。なお、メタル配線層２１〜２３と反射膜５とがショートする虞がある場合には、例えば図３に示すように、本実施形態１の固体撮像素子３１における変形例の固体撮像素子３１Ａとして、絶縁膜３と反射膜５間に、例えばＳｉＮ膜やＳｉＯ2膜などの絶縁膜１２を、反射膜５の形成工程前に形成してもよい。これらの絶縁膜１２は、光導波路を構成する目的から、内部に配線層を含む絶縁層３よりも屈折率が高い材料を用いることが望ましい。 Further, as shown in FIG. 2A (d), a reflective film 5 which is a thin film having a high reflectance (high reflectance thin film) is formed on the substrate portion by using a PVD method or a CVD method. As a material of the reflective film 5, a metal film such as aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), or an alloy thereof having a high reflectance can be used. Thereafter, as shown in FIG. 2A (e), the reflective film 5 is left only on a part of the waveguide side wall (the waveguide side wall on the light receiving unit side) by using anisotropic etching. At this time, the height position of the reflective film 5 can be adjusted by adjusting the etching time according to the lens focusing. In addition, when there is a possibility that the metal wiring layers 21 to 23 and the reflection film 5 may be short-circuited, for example, as illustrated in FIG. 3, as a solid-state image pickup element 31 </ b> A of a modification example of the solid-state image pickup element 31 of Embodiment 1 An insulating film 12 such as a SiN film or a SiO 2 film may be formed between the insulating film 3 and the reflective film 5 before the reflective film 5 is formed. These insulating films 12 are desirably made of a material having a refractive index higher than that of the insulating layer 3 including a wiring layer therein for the purpose of forming an optical waveguide.
その後、図２Ｂ（ｆ）に示すように、カラーフィルタ１０となるカラーフィルタ材料を光導波路内に埋め込む。このとき、１μｍ以上４μｍ以下（３層の配線層の場合）の厚みを有する透明の絶縁膜３に対して完全にカラーフィルタ材料を埋め込むと、カラーフィルタ１０の透過率の関係から光強度の減少が非常に多くなり、感度劣化を招いてしまうため、図２Ｂ（ｇ）に示すように、図２Ｂ（ｆ）の状態のカラーフィルタ１０の厚さを、例えば０.５μｍ以上１μｍ以下程度にエッチング除去して、０.５μｍ以上でカラーフィルタ１０の機能が発揮され、１μｍ以下でカラーフィルタ１０による光強度の減少を最小限に抑えることが好ましい。このときのエッチングは、等方性エッチングでも異方性エッチングでもよい。また、カラーフィルタ１０は、インクジェット技術を用いて形成してもよい。インクジェット法を用いてカラーフィルタ材料を光導波路内に埋め込むことにより、マスク工程およびエッチング工程を省くことができる。 Thereafter, as shown in FIG. 2B (f), a color filter material to be the color filter 10 is embedded in the optical waveguide. At this time, if the color filter material is completely embedded in the transparent insulating film 3 having a thickness of 1 μm or more and 4 μm or less (in the case of three wiring layers), the light intensity decreases due to the transmittance of the color filter 10. As shown in FIG. 2B (g), the thickness of the color filter 10 in the state of FIG. 2B (f) is etched to, for example, about 0.5 μm to 1 μm. When removed, the function of the color filter 10 is exhibited at 0.5 μm or more, and it is preferable to minimize the decrease in light intensity due to the color filter 10 at 1 μm or less. The etching at this time may be isotropic etching or anisotropic etching. The color filter 10 may be formed using an ink jet technique. By embedding the color filter material in the optical waveguide using the ink jet method, the mask process and the etching process can be omitted.
さらに、図２Ｂ（ｈ）に示すように、この基板部上にレンズ材料を均一に塗布した後、所定形状のレジストマスクを用いてレンズ材料を加工する。このときのレンズ加工は、エッチングまたは現像により行う。なお、このときのレンズ材料としては、内部に配線層を含む絶縁層３または図３に示す絶縁膜１２よりも屈折率が高い材料を用いることが望ましく、さらに、絶縁膜１２は絶縁層３よりも屈折率が高い材料を用いることが望ましい。レンズ加工の際には、図２Ｂ（ｉ）に示すように、光導波路上部の楕円半球状穴３Ａ内に所定量のレンズ材料（所定形状に加工されたレンズ材料）を残すようにする。その後、熱によりこのレンズ材料を溶かすことにより、凸状（凸レンズ形状）のマイクロレンズ１１Ａを楕円半球状穴３Ａのセルフアライメントにより形成する。このとき、アライメントずれによりレンズ材料の加工ずれが起きたとしても、その加工されたレンズ材料を溶かす際に光導波路上部の楕円半球状穴３Ａの形状によって、光導波路の中心上に（所望の位置に）マイクロレンズ１１Ａが形成される。 Further, as shown in FIG. 2B (h), after the lens material is uniformly applied on the substrate portion, the lens material is processed using a resist mask having a predetermined shape. The lens processing at this time is performed by etching or development. As the lens material at this time, it is desirable to use a material having a refractive index higher than that of the insulating layer 3 including the wiring layer therein or the insulating film 12 shown in FIG. It is desirable to use a material having a high refractive index. At the time of lens processing, as shown in FIG. 2B (i), a predetermined amount of lens material (lens material processed into a predetermined shape) is left in the elliptical hemispherical hole 3A above the optical waveguide. Thereafter, the lens material is melted by heat to form a convex (convex lens shape) microlens 11A by self-alignment of the elliptical hemispherical hole 3A. At this time, even if the lens material is misaligned due to misalignment, when the processed lens material is melted, the shape of the elliptical hemispherical hole 3A in the upper portion of the optical waveguide causes a desired position on the center of the optical waveguide. A) A microlens 11A is formed.
これにより、図２Ｂ（ｊ）に示すように、光導波路とマイクロレンズ１１Ａが一体化された形状でのセルフアラインメントにより、光導波路とマイクロレンズ１１Ａを形成することができる。したがって、マイクロレンズ１１Ａのアライメントずれによる入射光の減少を抑制して、光導波路により受光部へ光を効率よく導いて集光率を向上させ、固体撮像素子３１の感度をいっそう向上させることができる。 Thus, as shown in FIG. 2B (j), the optical waveguide and the microlens 11A can be formed by self-alignment in a shape in which the optical waveguide and the microlens 11A are integrated. Therefore, a decrease in incident light due to misalignment of the microlens 11A can be suppressed, light can be efficiently guided to the light receiving portion by the optical waveguide, the light collection rate can be improved, and the sensitivity of the solid-state imaging device 31 can be further improved. .
なお、本実施形態１において、マイクロレンズ１１Ａの形成後、レンズギャップを埋めるために、図４に示すように、本実施形態１の固体撮像素子３１における変形例の固体撮像素子３１Ｂとして、マイクロレンズ１１Ａ上に反射防止膜１３となる膜材料を塗布してもよい。また、反射膜５の代わりに、光導波路内に埋め込まれた光透過性材料（カラーフィルタ１０やマイクロレンズ１１Ａの材料）よりも屈折率が低い薄膜や、配線を含む絶縁層３よりも屈折率が高い薄膜を用いて、界面での全反射により光をフォトダイオード領域２上に導くようにすることもできる。 In the first embodiment, after the microlens 11A is formed, a microlens is used as a solid-state imaging element 31B of a modification of the solid-state imaging element 31 of the first embodiment, as shown in FIG. A film material to be the antireflection film 13 may be applied on 11A. Further, instead of the reflective film 5, a thin film having a refractive index lower than that of a light-transmitting material (a material of the color filter 10 or the microlens 11A) embedded in the optical waveguide, or a refractive index higher than that of the insulating layer 3 including wiring. It is also possible to use a thin film having a high thickness and guide light onto the photodiode region 2 by total reflection at the interface.
また、本実施形態１では、マイクロレンズ１１Ａの位置は受光部に対してオフセット（ずれ量）を持たせていないが、これに限らず、マイクロレンズ１１Ａの位置は、集光効率向上のために、入射光の傾き度合いに応じて、受光部に対してオフセットを持たせて設定されている。各受光部が等間隔でない場合も含めて、入射光の傾き度合いに応じて、受光部に対してマイクロレンズ１１Ａの位置にオフセット（すれ量）を持たせることにより、受光部に対する集光効率を向上させることができる。 In the first embodiment, the position of the microlens 11A does not have an offset (shift amount) with respect to the light receiving unit. However, the present invention is not limited to this, and the position of the microlens 11A is for improving the light collection efficiency. The light receiving unit is set with an offset according to the degree of inclination of the incident light. Including the case where the light receiving parts are not equally spaced, the light collection part has an offset (the amount of blur) in the position of the microlens 11A according to the degree of inclination of incident light, thereby improving the light collection efficiency for the light receiving part. Can be improved.
さらに、本実施形態１では、光導波路ホール１０Ａ中にカラーフィルタ材料が充填されて光導波路が形成される場合について説明したが、これに限らず、光導波路ホール１０Ａ中に白黒用フィルタ材料が充填されて光導波路が形成されるように構成してもよい。ここで、白黒用フィルタ材料は、特にそのような名称の材料があるわけではなく、カラーフィルタ材料に対する白黒用フィルタ材料という位置付けであって、この白黒用フィルタ材料としては、透明材料であればよく透明材料であってマイクロレンズなどの材料などを用いる。 Further, in the first embodiment, the case where the optical waveguide is formed by filling the optical waveguide hole 10A with the color filter material has been described. However, the present invention is not limited to this, and the optical waveguide hole 10A is filled with the black and white filter material. And an optical waveguide may be formed. Here, the black-and-white filter material does not have a material having such a name, and is positioned as a black-and-white filter material with respect to the color filter material. The black-and-white filter material may be any transparent material. A transparent material such as a microlens is used.
さらに、光導波路内に埋め込まれるカラーフィルタ材料の厚さは０.５μｍ以上１μｍ以下としたが、好ましくはカラーフィルタ材料の厚さは０.８μｍ程度である。光透過の減衰を考慮すれば、カラーフィルタ材料の厚さは１μｍ以下であることが好ましく、カラーフィルタ材料の厚さは薄ければ薄いほどよく、この観点からは、カラーフィルタ材料の厚さが、例えば０．３μｍや０.４μｍなど、カラーフィルタ材料が薄膜化できかつカラーフィルタとして使えれば０.５μｍ以下の膜厚であってもよい。 Further, the thickness of the color filter material embedded in the optical waveguide is 0.5 μm or more and 1 μm or less, but the thickness of the color filter material is preferably about 0.8 μm. In consideration of attenuation of light transmission, the thickness of the color filter material is preferably 1 μm or less, and the thinner the color filter material, the better. From this viewpoint, the thickness of the color filter material is If the color filter material can be thinned and used as a color filter, for example, 0.3 μm or 0.4 μm, the film thickness may be 0.5 μm or less.
さらに、図１において、２点鎖線で示された入射光は、マイクロレンズ１１Ａの楕円状部分から出て透明の絶縁層３に入り、側壁部分から光導波路内、さらにカラーフィルタ１０に入射している。この場合、透明の絶縁層３（光導波路がない場合には透明の絶縁層３が受光部上に存在する）への光の出入り部分（角部分）で光がそれほど減衰されないので、図１のようにこの絶縁層３の角部分を削らなくてもよく、この絶縁層３の角部分を削ってもよい。
（実施形態２）
上記実施形態１の固体撮像素子では、全ての画素（複数のフォトダイオード領域２）においてＦ値が大きい場合には、その光導波路による効果を発揮することができるが、Ｆ値が小さくなるにつれて入射角が大きくなり、斜め光成分が多くなる。このため、入射光が光導波路に入射される量が減ってフォトダイオード領域２に光が届き難い状態が起こり得る。本実施形態２では、この影響を改善することができる固体撮像素子およびその製造方法について説明する。
Further, in FIG. 1, incident light indicated by a two-dot chain line exits from the elliptical portion of the microlens 11 </ b> A and enters the transparent insulating layer 3, and enters the optical waveguide and further into the color filter 10 from the side wall portion. Yes. In this case, the light is not attenuated so much at the light entrance / exit portion (corner portion) to the transparent insulating layer 3 (the transparent insulating layer 3 exists on the light receiving portion when there is no optical waveguide). Thus, the corner portion of the insulating layer 3 may not be cut, and the corner portion of the insulating layer 3 may be cut.
(Embodiment 2)
In the solid-state imaging device of the first embodiment, when the F value is large in all the pixels (the plurality of photodiode regions 2), the effect of the optical waveguide can be exhibited. The angle increases and the oblique light component increases. For this reason, the amount of incident light entering the optical waveguide is reduced, and it may be difficult for the light to reach the photodiode region 2. In the second embodiment, a solid-state imaging device capable of improving this influence and a manufacturing method thereof will be described.
図５は、本発明の実施形態２に係る固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。 FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing an example of the configuration of the main part of a solid-state imaging device according to Embodiment 2 of the present invention.
図５において、本実施形態２の固体撮像素子３２は、マイクロレンズ１１Ａが形成された基板部上に、透明材料の平坦化膜１４を介して第２マイクロレンズ１５が形成されている。この第２マイクロレンズ１５は、小Ｆ値においても入射光が光導波路内に十分に導かれるように、各フォトダイオード領域２に対して入射光側にずらして形成（オフセットを持たせて形成）されている。特に、小Ｆ値の場合には、半導体基板１の周辺部において、光が半導体基板１の中央側から斜め方向に入射されるため、フォトダイオード領域２上に複数の第２マイクロレンズ１５を形成すると、入射光がフォトダイオード領域２上に良好に導かれないことがあるからである。本実施形態２では、基板中央部の位置から周辺部の位置に向かうにしたがって、入射光の傾き度合いが大きくなるので、各第２マイクロレンズ１５が、入射光の傾き度合いに応じて、各フォトダイオード領域２に対して基板中央側にずれる量（オフセット量）が大きくなるように配置している。このことにより、Ｆ値が小さい場合においても良好な集光効率を保つことができる。その際、第２マイクロレンズ１５に多少のずれが生じたとしても、マイクロレンズ１１Ａと光導波路とがセルフアライメントにより形成されているため、このずれによる影響をより少なくすることができる。 In FIG. 5, in the solid-state imaging device 32 of the second embodiment, the second microlens 15 is formed on the substrate portion on which the microlens 11 </ b> A is formed via the planarizing film 14 made of a transparent material. The second microlens 15 is formed so as to be shifted toward the incident light side with respect to each photodiode region 2 (formed with an offset) so that incident light is sufficiently guided into the optical waveguide even at a small F value. Has been. In particular, in the case of a small F value, since light is incident obliquely from the center side of the semiconductor substrate 1 at the periphery of the semiconductor substrate 1, a plurality of second microlenses 15 are formed on the photodiode region 2. This is because incident light may not be guided well onto the photodiode region 2. In the second embodiment, since the inclination degree of incident light increases from the position of the central portion of the substrate toward the position of the peripheral portion, each second microlens 15 can change each photo according to the inclination degree of the incident light. The amount of offset (offset amount) with respect to the diode region 2 toward the center of the substrate is increased. This makes it possible to maintain good light collection efficiency even when the F value is small. At this time, even if a slight shift occurs in the second microlens 15, the microlens 11A and the optical waveguide are formed by self-alignment, so that the influence of this shift can be further reduced.
さらに、図６に示すように、本実施形態２の固体撮像素子３２における変形例の固体撮像素子３２Ａとして、図４においてマイクロレンズ１１Ａ上に形成した反射防止膜１３を残して、その上に平坦化膜１４さらに第２マイクロレンズ１５を形成してもよい。 Further, as shown in FIG. 6, as a solid-state image pickup element 32 </ b> A of a modification of the solid-state image pickup element 32 of Embodiment 2, the antireflection film 13 formed on the microlens 11 </ b> A in FIG. 4 is left and flattened thereon. Alternatively, the second microlens 15 may be formed.
なお、本実施形態２では、第２マイクロレンズ１５の位置は、入射光の傾き度合いに応じて、フォトダイオード領域２に対してオフセットを持たせて設定したが、これに限らず、第２マイクロレンズ１５および第１マイクロレンズ１１Ａの各位置は、入射光の傾き度合いに応じて、フォトダイオード領域２に対してオフセットを持たせて設定するようにしてもよい。また、第２マイクロレンズ１５の位置は、第１マイクロレンズ１１Ａの位置に対して集光率向上用にオフセットを持たせて設定してもよい。
（実施形態３）
上記実施形態２の固体撮像素子では、第１マイクロレンズ１１Ａ上にさらに集光用の第２マイクロレンズ１５が所定のオフセット（ずれ量）を持たせて位置されている場合について説明したが、本実施形態３では、図７にて後述するが、第１マイクロレンズ１１Ａ上に反射膜が設けられた第１マイクロレンズ１１Ａおよび反射膜１６にレンズ曲面穴１４Ａを開口して、このレンズ曲面穴１４Ａに第２マイクロレンズ１５Ａの形成部分を充填させた光閉じ込め構造を有する場合について説明する。
In the second embodiment, the position of the second microlens 15 is set with an offset with respect to the photodiode region 2 in accordance with the degree of inclination of the incident light. The positions of the lens 15 and the first microlens 11A may be set with an offset with respect to the photodiode region 2 in accordance with the inclination of incident light. Further, the position of the second microlens 15 may be set with an offset for improving the light collection rate with respect to the position of the first microlens 11A.
(Embodiment 3)
In the solid-state imaging device of the second embodiment, the case where the second microlens 15 for condensing is further provided on the first microlens 11A with a predetermined offset (shift amount) has been described. In Embodiment 3, as will be described later with reference to FIG. 7, a lens curved surface hole 14A is opened in the first microlens 11A and the reflective film 16 provided with a reflective film on the first microlens 11A. A case where the optical confinement structure is filled with the formation portion of the second microlens 15A will be described.
図７は、本発明の実施形態３に係る固体撮像素子の要部構成例を示す縦断面図である。 FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view illustrating an exemplary configuration of a main part of a solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention.
図７において、本実施形態３の固体撮像素子３３は、マイクロレンズ１１Ａ上に反射防止膜１３の代わりに、内部に対して光を反射させてフォトダイオード領域２に再び導くための高反射率膜（反射膜）１６を設けて、光を無駄にしない光閉じ込め構造に構成している。 In FIG. 7, the solid-state imaging device 33 according to the third embodiment has a high reflectivity film for reflecting light to the inside and guiding it again to the photodiode region 2 instead of the antireflection film 13 on the microlens 11 </ b> A. (Reflective film) 16 is provided to form a light confinement structure that does not waste light.
上記構成による本実施形態３の固体撮像素子３３の製造方法について説明すると、図８（ａ）に示すように、高反射率膜１６上に平坦化膜１４を塗布し、レジストマスク２０（光導波路形成時に用いたレジストマスク２０とは各開口部の位置が異なっている）を用いて等方性エッチングにより平坦化膜１４および高反射率膜１６をレンズ曲面状に加工する。これにより、平坦化膜１４およびマイクロレンズ１１Ａに下に凸形（凸レンズ形状）の楕円半球状穴１４Ａが形成され、高反射率膜１６に光が入射される開口部が形成される。 The manufacturing method of the solid-state imaging device 33 according to the third embodiment having the above configuration will be described. As shown in FIG. 8A, the planarizing film 14 is applied on the high reflectivity film 16, and the resist mask 20 (optical waveguide) is applied. The planarizing film 14 and the high reflectivity film 16 are processed into a lens curved surface shape by isotropic etching using the resist mask 20 used at the time of formation. Thereby, a convex (convex lens shape) elliptical hemispherical hole 14A is formed in the planarizing film 14 and the micro lens 11A, and an opening through which light is incident is formed in the high reflectivity film 16.
次に、図２（ｉ）および図２（ｈ）の場合と同様に、この基板部上にレンズ材料を均一に塗布した後、レジストマスクを用いてレンズ材料を加工し（中央部分を残すように加工し）、熱によりレンズ材料を溶かすことにより、図８（ｂ）に示すように、楕円半球状穴１４Ａによるセルフアライメントにて第２マイクロレンズ１５Ａを形成する。 Next, as in the case of FIGS. 2 (i) and 2 (h), after the lens material is uniformly applied on the substrate portion, the lens material is processed using a resist mask (to leave the central portion). The second microlens 15A is formed by self-alignment using the elliptical hemispherical hole 14A, as shown in FIG. 8B, by melting the lens material by heat.
これにより、第２マイクロレンズ１５Ａを介して高反射率膜１６の開口部から光を入射させることができ、また、高反射率膜１６のドーム状下面（反射面）によって、基板部側から反射された光を再度フォトダイオード領域２へ戻すことができるため、光閉じ込め構造を構成することができる。 As a result, light can be incident from the opening of the high reflectivity film 16 through the second microlens 15A, and reflected from the substrate portion side by the dome-shaped lower surface (reflecting surface) of the high reflectivity film 16. Since the emitted light can be returned to the photodiode region 2 again, an optical confinement structure can be formed.
以上により、上記実施形態１〜３によれば、２次元状（またはマトリクス状）に複数のフォトダイオード領域２が設けられた半導体基板１の表面上または半導体基板の表層部上に、内部に複数の配線２１〜２３を含む絶縁層３を有する固体撮像素子３１〜３３、３１Ａ、３１Ｂまたは３２Ａにおいて、フォトダイオード領域２上に光導波路を形成する。その光導波路上の第１マイクロレンズ１１Ａを、光導波路とセルフアライメントにより作製する。絶縁層３の等方性エッチングと異方性エッチングにより光導波路を形成し、その等方性エッチングにより形成された楕円半球状穴３Ａ内にレンズ材料を加工し、熱でレンズ材料を溶かすことにより、楕円半球状穴３Ａのセルフアライメントにより光導波路と第１マイクロレンズ１１Ａが位置決めされた状態で形成される。これによって、集光率を向上させるために受光部上に光導波路を設けた固体撮像素子３１〜３３、３１Ａ、３１Ｂまたは３２Ａにおいて、従来問題になっていた第１マイクロレンズ１１Ａ（オンチップレンズ）のアライメントずれを防ぎ、小Ｆ値においても効率よく入射光を受光部に導くことができる。 As described above, according to Embodiments 1 to 3, a plurality of photodiode regions 2 are provided on the surface of the semiconductor substrate 1 or the surface layer portion of the semiconductor substrate in which the plurality of photodiode regions 2 are provided in a two-dimensional shape (or matrix shape). In the solid-state imaging devices 31 to 33, 31A, 31B or 32A having the insulating layer 3 including the wirings 21 to 23, an optical waveguide is formed on the photodiode region 2. The first microlens 11A on the optical waveguide is manufactured by self-alignment with the optical waveguide. By forming an optical waveguide by isotropic etching and anisotropic etching of the insulating layer 3, processing the lens material in the elliptical hemispherical hole 3A formed by the isotropic etching, and melting the lens material with heat The optical waveguide and the first micro lens 11A are positioned by self-alignment of the elliptical hemispherical hole 3A. As a result, the first microlens 11A (on-chip lens) that has been a problem in the past in the solid-state imaging devices 31 to 33, 31A, 31B, or 32A in which the optical waveguide is provided on the light receiving portion in order to improve the light collection rate. Misalignment can be prevented, and incident light can be efficiently guided to the light receiving section even at a small F value.
なお、上記実施形態１〜３では、光導波路は、フォトダイオード領域２上の対応する位置に設けられた下に凸形の楕円半球状穴３Ａ（平面視では楕円または円、４角形など）の底面またはその一部から半導体基板１の表面側まで半導体基板１の表面と垂直の側壁を有する構成としたが、これに限らず、楕円半球状穴３Ａに代えて半球状穴などのレンズ曲面穴でもよく、また、レンズ曲面穴の底面から半導体基板１の表面側まで、開口部入口側が広がるように傾斜した側壁（図１０のように開口部入口側が順次広がるように傾斜した縦断面テーパ状の側壁）を有する構成とすることができる。 In the first to third embodiments, the optical waveguide has a downwardly convex elliptical hemispherical hole 3A (such as an ellipse or a circle in a plan view) provided at a corresponding position on the photodiode region 2. Although it has a configuration having a side wall perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 1 from the bottom surface or a part thereof to the surface side of the semiconductor substrate 1, it is not limited to this, and instead of the elliptical hemispherical hole 3A, a lens curved hole such as a hemispherical hole Alternatively, the side wall is inclined so that the opening side of the opening expands from the bottom surface of the lens curved surface hole to the surface side of the semiconductor substrate 1 (the longitudinal section is tapered so that the opening side of the opening gradually expands as shown in FIG. 10). (Side wall).
また、上記実施形態１〜３では、レンズ穴形状形成工程および光導波路形状形成工程において、第１マイクロレンズ１１Ａおよび光導波路の各形成形状（各形成用形状）として、同じ所定形状のレジストマスク２０を用いて下に凸形の楕円半球状穴３Ａおよび光導波路ホール１０Ａを形成したが、これに限らず、異なる所定形状（開口部パターン）のレジストマスクを用いてレンズ曲面穴および光導波路ホールを形成してもよい。この場合に、第１マイクロレンズ１１Ａの位置が、光導波路に対して集光率向上用のオフセット（ずれ量）を持たせて設定されている。 In the first to third embodiments, in the lens hole shape forming step and the optical waveguide shape forming step, the resist mask 20 having the same predetermined shape is used as each formed shape (each forming shape) of the first microlens 11A and the optical waveguide. The convex elliptical hemispherical hole 3A and the optical waveguide hole 10A are formed using the above, but the present invention is not limited thereto, and the lens curved surface hole and the optical waveguide hole are formed using a resist mask having a different predetermined shape (opening pattern). It may be formed. In this case, the position of the first microlens 11A is set with an offset (shift amount) for improving the light condensing rate with respect to the optical waveguide.
さらに、上記実施形態１〜３では、特に説明しなかったが、上記実施形態１〜３の固体撮像素子３１〜３３、３１Ａ、３１Ｂおよび３２Ａの少なくともいずれかを撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子情報機器について説明する。本発明の電子情報機器は、本発明の上記実施形態１〜３の固体撮像装置３１〜３３、３１Ａ、３１Ｂおよび３２Ａの少なくともいずれかを撮像部に用いて得た高品位な画像データを記録用に所定の信号処理した後にデータ記録する記録メディアなどのメモリ部と、この画像データを表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示する液晶表示装置などの表示手段と、この画像データを通信用に所定の信号処理をした後に通信処理する送受信装置などの通信手段と、この画像データを印刷（印字）して出力（プリントアウト）する画像出力手段とのうちの少なくともいずれかを有している。 Further, although not particularly described in the first to third embodiments, for example, a digital video camera using at least one of the solid-state imaging devices 31 to 33, 31A, 31B, and 32A of the first to third embodiments as an imaging unit. An electronic information apparatus having an image input device such as a digital camera such as a digital still camera, an image input camera, a scanner, a facsimile, or a camera-equipped mobile phone device will be described. The electronic information device of the present invention is for recording high-quality image data obtained by using at least one of the solid-state imaging devices 31 to 33, 31A, 31B, and 32A of the first to third embodiments of the present invention as an imaging unit. A memory unit such as a recording medium for recording data after performing predetermined signal processing on the display, and display means such as a liquid crystal display device for displaying the image data on a display screen such as a liquid crystal display screen after performing predetermined signal processing for display And at least one of a communication unit such as a transmission / reception device that performs communication processing after performing predetermined signal processing for the image data, and an image output unit that prints (prints out) and outputs (prints out) the image data. Have either.
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。 As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-3 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-3. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific preferred embodiments 1 to 3 of the present invention. Patents, patent applications, and documents cited herein should be incorporated by reference in their entirety, as if the contents themselves were specifically described herein. Understood.
本発明は、集光効率を高めるために受光部上にオンチップレンズを設け、受光部とオンチップレンズ間に光導波路を設けた固体撮像素子およびその製造方法、この製造方法により作製された固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、第１マイクロレンズのアライメントずれによる従来の入射光の減少を抑制することで、光導波路により受光部へ光を効率よく導くことができるため、集光率を向上させて固体撮像素子の感度を向上させることができる。また、受光部が等間隔でなくても、光導波路側にオフセットを持たせることにより、より効率的に各受光部へ光を導くことができる。さらに、セルフアラインメントにより作製された第１マイクロレンズ上にさらに第２マイクロレンズを設けたり、この第２マイクロレンズにオフセットを持たせることにより、小Ｆ値においても良好な集光効率を得ることができる。 The present invention provides a solid-state imaging device in which an on-chip lens is provided on a light-receiving unit and an optical waveguide is provided between the light-receiving unit and the on-chip lens in order to increase the light collection efficiency, a manufacturing method thereof, and a solid manufactured by this manufacturing method. In the field of electronic information devices such as digital video cameras and digital still cameras, for example digital video cameras and digital still cameras, and image input cameras, scanners, facsimiles, camera-equipped mobile phone devices, etc. By suppressing the conventional decrease in incident light due to misalignment of one microlens, light can be efficiently guided to the light receiving portion by the optical waveguide, so that the condensing rate is improved and the sensitivity of the solid-state imaging device is improved. be able to. Even if the light receiving portions are not equally spaced, it is possible to guide light to each light receiving portion more efficiently by providing an offset on the optical waveguide side. Furthermore, by providing a second microlens on the first microlens manufactured by self-alignment, or by providing an offset to the second microlens, it is possible to obtain good light collection efficiency even at a small F value. it can.
１ 半導体基板
２ フォトダイオード領域（受光部）
３ 絶縁層
３Ａ 楕円半球状穴
５ 反射膜（高反射率薄膜）
９ エッチングストッパ膜
１０ カラーフィルタ
１０Ａ 光導波路ホール
１１Ａ 第１マイクロレンズ
１２ 絶縁膜
１３ 反射防止膜
１４ 平坦化膜
１５ 第２マイクロレンズ
１６ 高反射率薄膜
２０ レジストマスク
２０Ａ 開口部
２１〜２３ 配線層
３１〜３３，３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ 固体撮像素子
1 Semiconductor substrate 2 Photodiode area (light receiving part)
3 Insulating layer 3A Elliptical hemispherical hole 5 Reflective film (high reflectivity thin film)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Etching stopper film | membrane 10A Color filter 10A Optical waveguide hole 11A 1st micro lens 12 Insulating film 13 Antireflection film 14 Flattening film 15 2nd micro lens 16 High reflectance thin film 20 Resist mask 20A Opening part 21-23 Wiring layer 31- 33, 31A, 31B, 32A Solid-state image sensor
Claims (30)
該受光部上に該光導波路を介して集光用の第１マイクロレンズが設けられており、該第１マイクロレンズは、該光導波路および該第１マイクロレンズの形成用形状のセルフアライメントにより形成されている固体撮像素子。 In a solid-state imaging device in which an insulating layer is provided on a semiconductor substrate provided with a plurality of light receiving portions, and an optical waveguide is formed in an opening of the insulating layer on the light receiving portion.
A first microlens for condensing light is provided on the light receiving portion via the optical waveguide, and the first microlens is formed by self-alignment of the shape for forming the optical waveguide and the first microlens. Solid-state imaging device.
前記絶縁層に対して等方性エッチングおよび異方性エッチングを行って該第１マイクロレンズおよび該光導波路の形成用形状を形成するレンズおよび光導波路形状形成工程と、
該光導波路および該第１マイクロレンズの形成用形状をセルフアライメントにして該第１マイクロレンズを形成する第１マイクロレンズ形成工程とを有する固体撮像素子の製造方法。 In a method for manufacturing a solid-state imaging device, an insulating layer is formed on a semiconductor substrate provided with a plurality of light receiving portions, and an optical waveguide is formed by opening the insulating layer on the light receiving portion.
A step of forming the first microlens and the shape for forming the optical waveguide by performing isotropic etching and anisotropic etching on the insulating layer, and an optical waveguide shape forming step;
A solid-state imaging device manufacturing method comprising: a first microlens forming step of forming the first microlens by self-aligning the formation shape of the optical waveguide and the first microlens.
所定形状のレジストマスクを用いて前記絶縁層の等方性エッチングを行って、前記受光部上に対応する位置に下に凸形のレンズ曲面穴を形成するレンズ穴形状形成工程と、
所定形状のレジストマスクを用いて該絶縁層の異方性エッチングを行って、該レンズ曲面穴の底面から前記半導体基板表面側まで該半導体基板表面と垂直の側壁部分または、開口部入口側が広がるように傾斜した側壁部分を形成する光導波路形状形成工程とを有する請求項２１に記載の固体撮像素子の製造方法。 The lens and optical waveguide shape forming step,
Performing isotropic etching of the insulating layer using a resist mask of a predetermined shape to form a lens hole shape forming step that forms a convex lens curved surface hole at a position corresponding to the light receiving portion;
The insulating layer is anisotropically etched using a resist mask having a predetermined shape so that the side wall portion perpendicular to the semiconductor substrate surface or the opening entrance side extends from the bottom surface of the lens curved surface hole to the semiconductor substrate surface side. The manufacturing method of the solid-state image sensor of Claim 21 which has an optical waveguide shape formation process which forms the side wall part which inclined in the direction.
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